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LinPak——扩展至3300V的模块新标准,具有卓越的并联运行能力并为SiC器件做好准备

2016-9-14 10:28:39      点击:

最新的LinPak IGBT模块集成了低损耗的3300V芯片组,这意味着中压范围的应用也将受益于这个超低杂散电感的LinPak封装标准。其卓越的并联运行能力有效提升了系统额定电流扩展性。由于封装整体电感低,使SiC器件在更大电流额定值下运行成为可能。

 

开放的LinPak标准所提供的技术优势和模块化模式获得了非常积极的市场反应,我们很高兴地看到越来越多的制造商开始提供与LinPak兼容的解决方案。

本文介绍了通用模块设计思路,并给出了3300V 2 x 450A LinPak模块以及两个1700V 2 x 1000ALinPak模块并联时的开关特性的初步测试结果。此外,还给出了1200V全SiC MOS-FET模块的初步测试成果。

 

作者:ABB瑞士有限公司半导体事业部RaffaelSchnell、Samuel Hartmann、SlavoKicin和Fabian Fischer

 


概要


当前140 x 190mm2典型封装尺寸的大功率单管IGBT模块即将达到或已经达到了其能力极限。像1700V SPT++ IGBT[2]乃至3300V SPT+ IGBT这样的全新快速开关芯片组若要实现低损耗开关,则要求换流回路杂散电感很低,以确保浪涌电压在可承受范围内[3]。如果对于Si IGBT芯片已经是这样了,那么显然SiC芯片不再适合采用140 x 190mm2封装或类似的封装标准。作为面向未来的解决方案,LinPak功率模块就是为了超越这些限制而开发出来的全新开放性标准。半桥拓扑的设计使其易于并联使用,只需通过使用适当数量的模块并联就可以实现不同额定输出功率的变流器。凭借其低至10nH的模块寄生电感及配置有着DC母线电容器的低电感母线,相比于采用140x 190mm2封装的早期HiPak的解决方案,LinPak在IGBT关断期间的浪涌电压通常为HiPak的五分之一。相比HiPak型模块,LinPak单位额定电流的端子接线面积增加了一倍,这使得它不需要母排对它的冷却了。通过采用AlSiC底板和AlN基板与可靠的超声波端子焊接工艺的组合,使LinPak模块适用于功率循环要求严格的相关应用。

 

这个标准的大功率IGBT模块的新特点是内置了NTC温度传感器,它可以用来检测冷却系统中的故障或检测芯片的温度。




模块设计


对于一个开创性的功率模块封装设计,很多方面需要考虑:高额定电流、高可靠性、良好的工艺、低成本、低热阻、低电感及稳定的电磁性能等等。优化功率端子使其易于并联和低电感母线设计已经得以实现[1],已经成功研制的LinPak功率模块封装如图1所示。对于内部电路与芯片布局方案,LinPak主要考虑了图2中所示的3种内部布局方案。对于图中用在模块内的每种布局, 4个AlN基板中只有2个被展示出来,另外2个基板是相同的且并联至图中所示的2个基板。




第1种布局方案被应用在LinPak模块中,其所有端子都连接到模块中间的基板上。对于第2种和第3种布局方案,交流端子被放置在模块的交流输出侧,虽然这样更短的AC路径可实现低电阻,但却需要额外的空间来实现与AC端子的连接。在第2种布局方案中,上下桥臂采用相同基板设计,这样也在下桥臂区域浪费了一些面积。第3种布局方案在上下桥臂使用两个不同基板布局,因此其只需要单侧AC端子连接面积。


AC端子所需连接面积的差异严重影响着功率半导体及使其所能达到额定电流的剩余布局面积。可用Si芯片分布面积的比较如图3所示,与第1种布局方案相比,第2种布局方案和第3种布局方案仅有着77%和89%的芯片分布面积。采用第1种布局方案,基于SPT++ IGBT技术的LinPak可以获得1000A的额定电流[1]。在1700V电压等级,使用增强型沟槽(TSPT+)IGBT技术的模块有潜力达到1200A以上的额定电流。

 

Si芯片面积大小也显著影响着热阻,利用有限元分析,我们对3种布局方案进行了热阻的相互比较(如图3)。第1种布局方案的热阻为27.2K/kW,与热阻为33.6K/kW的第2种布局方案相比,热阻有着显著减小。

 

第1种布局方案的另一个优势是功率端子与基板的连接采用的是可靠的超声波焊接工艺。当涉及到热循环负载时,超声波焊接是一种可靠的连接方式,但该技术也面临着2个挑战:在焊接过程中产生的微粒有可能使陶瓷绝缘形成裂纹且半导体芯片对微粒污染非常敏感,可以通过使所有焊接链接与半导体芯片保持一定距离来解决这个问题,另外也可在焊接过程中将微粒去除。由于AC端子的位置非常靠近半导体芯片,第2种布局方案或第3种布局方案很难实现LinPak中极低的微粒水平。应付绝缘完整性挑战是由基板上足够大的焊盘来完成的,这样一来只有第1种布局方案是可能合理的。同时焊接端子脚和焊盘铜边缘之间的距离也是一个关键的设计参数。得益于精心选择的工艺参数,LinPak模块有效预防了AlN陶瓷中裂纹的出现。





易于并联


由于并联性能良好且并联时降额最小,LinPak模块有着很好可扩展性。原则上,并联模块的芯片面积应该是相同的,例如要么3个独立LinPak模块并联,或者使用两个HiPak2模块,这样明显的区别是:

a.    单个模块内的均流(如HiPak)主要是由模块设计方和模块制造商来设定的

b.    模块之间的均流(如LinPak)则取决于客户的电路设计

c.    模块之间的电流失衡可以很容易地测量到,但是在模块内电流失衡几乎是不可能测试的。

 

很明显,对于a)与b)而言适当的模块设计和包括直流母线和栅极驱动的电路设计都至关重要。然而在LinPak案例中,模块设计概念及模块之间的良好均流性都大大简化电路设计。LinPak并联时的均流性优于许多市场现有模块。在大多数情况下c)的实现非常困难,用户几乎不可能测量甚至估计功率模块内部的电流失衡。通常只是测量整体损耗或将规格书中的值用于热计算,而没有考虑由于电流失衡的降额。

 

第一个LinPak并联测试案例是用2个模块并联进行的,图4给出了IGBT在额定条件下导通期间的均流情况。由于寄生电磁耦合主要出现在IGBT导通期间,其会导致栅极-发射极电压发生畸变,因此选择了导通波形作为例子。由于栅极电压畸变影响,使导通电流特性跟随传输特性成为事实。栅极电压波形在关断期间对电流的影响最小,即使连接对称不理想也在可接受范围内。图4显示了一个几乎没有电流失衡的接近完美的均流过程。




3300V、2 x 450A LinPak的电气特性测试结果


前面给出的1700V 2 x1000A LinPak半桥单模块的结果[1]表明,其关断过电压为标准(190 x 140mm2)HiPak模块的五分之一。

 

第一款LinPak模块采用了半桥拓扑并配置了低开关损耗的3300V SPT+芯片组,其额定值为2 x 450A,目前已可以提供样品。图5给出了其在2600V高DC电压和80nH总杂散电感的最坏SOA条件下的关断波形。尽管条件恶劣,关断波形还是非常软且过电压的值远低于3300V,安全裕度很大:




1200V全SiC LinPak 的电气特性测试结果


为了验证LinPak设计运行SiC MOS-FET器件的能力,我们设计了1200V SiC MOS-FET并联SiC肖特基二极管的模块。大电流SiC模块面临的最大挑战在于如何优化电磁兼容设计,当前可用SiC MOS-FET在尺寸和额定电流方面都有所限制。为了更好的说明,我们每个开关使用了12个MOS-FET,在25℃时产生700A左右的额定电流。特殊的基板设计使模块具有良好的兼容性和低内阻等优点,同时允许为每个芯片增加一个栅极电阻(图6)[5]。



在1000A大电流工况下的开关波形测试结果表明LinPak很适合用于SiC芯片封装。在栅极电阻值选择恰当时,可以实现无振荡关断。图7给出了采用10Ω外部栅极电阻时的关断波形,波形没有出现振荡,且过电压保持在可接受的范围内。然而尽管栅极电阻相当大,但在导通时仍然有一些振荡存在。进一步的优化工作正在进行中,然而距离成为经济上可行的大电流模块,SiC MOS-FET还有着很大成长空间。




结论


LinPak是一种全新的封装标准,其充分利用了当前和未来的低损耗Si IGBT芯片。由于其易于并联的特点,LinPak可以实现高扩展性的变流器设计。LinPak不同额定值的产品不断出现,为变流器制造商提供了生产灵活性,并简化产品的物料清单。LinPak标准现已被众多模块制造商所采用,变流器生产商有着使其供应链更加稳定的第二物料来源。最后需要说明的是LinPak的未来成长空间,我们已经用实例说明了LinPak能够很好的集成SiC MOSFET芯片,并能够控制快速开关器件。

 

ABB的1700V、2 x 1000A LinPak模块以及3300V、2 x 450A LinPak模块已经开始服务于市场。